(57)【要約】  【課題】      軽量でクリープ強度が大きく、かつ機械加工が容易な回転体を提供する。  【解決手段】  ほう酸アルミウィスカー又はチタン酸カリウィスカーからなる予備成形体に銅を２％以上含有するアルミニウム合金溶湯を加圧含浸させ、その後当該部品を機械加工して得られる回転体。  【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ほう酸アルミウィスカー又はチタン酸カリウィスカーのいずれか一種又は二種からなる強化材とアルミニウム合金（以下アルミニウム）よりなるマトリックス材よりなる複合材料からなる回転体。
【請求項２】
前記強化材のウィスカーの体積率が５〜３０％である請求項１に記載のウィスカー強化アルミニウム材料よりなる回転体。
【請求項３】
２０５℃１００時間でクリープ強度が２５０MPａ以上の請求項１又は２に記載のウィスカー強化アルミニウム材料よりなる回転体。
【請求項４】
前記マトリックスのアルミニウム材料がマグネシウム分を０.３％以下であって、かつ銅分が２％以上の合金である請求項１、２又は３に記載のウィスカー強化アルミニウム材料よりなる回転体。
【請求項５】
前記回転体がターボ分子ポンプローター、モーター回転子、スクリューコンプレッサーのスクリュー、スクロールコンプレッサーのスクロール、メカニカル真空ポンプのローター、その他の回転体であること。
【請求項６】
ほう酸アルミウィスカー又はチタン酸カリウィスカーのいずれか一種又は二種からなる材料を用いて、有機あるいは無機又は両方のバインダーを用いて、体積率が５〜３０％になるように予備成形体を作り予熱後、加圧金型内に設置し、該成形体にアルミニウム溶湯を高圧鋳造含浸凝固させて複合材料を作成した後、機械加工にて請求項５記載の回転体を得る製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、軽量でクリープ特性が良好でかつ機械加工の容易なアルミニウム合金基複合材料よりなる回転体とその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
回転体は動力エネルギーとの関係から軽量であることが望ましく、比重の小さいものが好まれる。現状では、ターボ分子ポンプのローターやモーターの回転子などはアルミニウム合金などが利用されている。しかしながら、アルミニウム合金は１５０℃以上から急激にクリープ強度が低下する。例えばアルミニウム合金の一種であるＡ２６１８は、その中ではクリープ強度は強い方であるが２００℃以上では充分なクリープ強度を有するとはいえず又、熱膨張も伸びも大きいので回転体としての性能は不充分なものである。
【０００３】
一方で、チタン合金はクリープ特性は２００℃以上でも充分な強度を有するが、比重がアルミニウム合金より約１.７倍と大きく、回転体としては適材とはいえない。又、チタン合金は機械加工が容易ではなく例えばターボ分子ポンプのローターでは数百枚以上の羽根を加工で切削するという機械加工がコストの多くを占めるものでは適材ということにはならない。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明の目的は、前記のような従来の問題点に鑑み、軽量で機械加工が容易でクリープ強度が大きくかつ伸びの小さい材料よりなる回転体を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は、前記課題を解決するためにアルミニウム基複合材料を用いることに着目した。アルミニウム基複合材料は、高温に於ける引張強度が大きく又、クリープ強度が大きくかつ伸びが小さいので好適である。
【０００６】
次に、本発明のもう一つの目的である機械加工が容易であることに対しては強化材は炭素、ほう酸アルミ、チタン酸カリの中から選択することとした。一般的によく知られている強化材の炭化珪素やアルミナは硬度が大きく、従ってアルミニウム基複合材料にした時、機械加工が甚だ困難になる。
【０００７】
さらに強化材の中の炭素、ほう酸アルミ、チタン酸カリの中で炭素は繊維を利用すれば繊維方向だけが異常に大きな強度を示すがその他の方向はアルミニウムのマトリックス以下の強度しか期待できない。又、炭素の粒子は元来強化材としての意味が薄く、クリープ強度の向上には役立たないことが判明したのでほう酸アルミ又はチタン酸カリのものに限定した。
【０００８】
強化材の形状の問題では、体積率がやはり機械加工特性に影響を与えるので最大で３０％以下にする必要がある。そのため粒子形状では強化材の予備成形体で体積率を３０％以下にするのが困難であるので、本発明の目的を達成するために、ウィスカー形状のものを選択した。
【０００９】
強化材に、ほう酸アルミウィスカーやチタン酸カリウィスカー、又はその混合物を使用して予備成形体を形成する時、体積率が５％以下では形成が困難であるし、又クリープ強度の向上もわずかしか望めない。従って強化材の体積率を５〜３０％とした。
【００１０】
さらに、マトリックスとなるアルミニウム合金の選択であるが強化材がほう酸アルミ、又はチタン酸カリのウィスカーであるので、合金の成分としてマグネシウムを含有すると、強化材とマトリックスの間で反応が起ってしまい、非常に固くもろい反応生成物を形成してしまうので好ましくない。又、ウィスカー強化アルミニウムはマトリックスの強度が支配的になるので銅分が２％以上含む合金を採用することとした。
【００１１】
以上のように強化材とマトリックス材とを選定しておき、高圧鋳造含浸凝固方法により、所望の回転体材料としての複合材料を得ることができる。以下、より詳細に製造方法を説明する。先ずウィスカーを所定量計量してこれに有機バインダーや必要に応じて無機バインダーを添加して水中に懸濁させてスラリーとする。この時に使用する有機バインダーはポリビニールアルコールやメチルセルロース、澱粉などの水溶性ポリマーが使用される。又、無機バインダーはシリカゾルやアルミナゾルなどが利用できる。次にこのスラリーを濾過又は加圧成形して乾燥して固化した予備成形体を得る。
【００１２】
次にこの成形体を６００〜９００℃程度に加熱しておき、一方ではアルミニウム合金を溶解しておく。他方で高圧鋳造用金型を２００〜３００℃程度に加熱しておいてその金型内に加熱された成形体を配置した後、アルミニウム合金溶湯を注ぎ油圧プランジャーにて金型内をおよそ３０〜２００ＭPａの圧力をかけて含浸させて凝固させる。この後、凝固物から複合材料部を切り出して回転体の材料とする。
【００１３】
以上のようにして得られた複合材料を旋盤、フライス盤、マシニングセンターなどを利用して機械加工を施し、所望の例えばターボ分子ポンプローター、モーター回転子、スクリューコンプレッサーのスクリュー、スクリューコンプレッサーのスクロール、メカニカル真空ポンプのローターやその他の回転体の形状に加工して本発明の課題を解決した。
【発明の効果】
【００１４】
本発明の複合材料は強化材としてほう酸アルミウィスカー又はチタン酸カリウィスカーの両方又は一方を利用しているので、機械加工に用いる工具は通常の工具で加工可能であり、かなり複雑な形状を有するものでも通常のアルミ材と同程度の加工所要時間で行えるので加工費によるコスト増加は避けることができる。
【００１５】
本発明によって得られる複合材料からなる回転体はそのクリープ強度が大きいので回転体として有用であり、特に半導体や液晶、太陽電池の製造装置内を真空に保つポンプ類などの回転体は高温でのクリープ特性が非常に重要な物性であり、従来使われているＪＩＳ−Ａ２６１８の材料が２０５℃−１００時間のクリープ強度が１９５ＭPａになっているのに対して本発明品は同条件では２８０ＭPａ以上になっている。このクリープ強度は他のどのアルミニウム合金では到達不能の値である。かつ、ＪＩＳ−A２６１８の２００℃での伸びが２４％にもなるのに対して本発明品のそれは０.５％以下であるので高温下に於ける回転体としては非常に有用である。
【００１６】
さらに本発明は比重が２.７５〜３.０とチタンのおよそ６５％程度であるので回転体としてのエネルギー消費量も小さい。そしてさらなる発明の効果としてＡ２６１８の熱膨張率が２２〜２３×１０−６１／Kであるのに対して本発明のそれは１４〜２０×１０−６１／Kとなっており回転体の外筒に対する回転体最外周部のクリアランスも設計上小さくできるので高効率な機器を作ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
本発明で使用される強化材としては直径１μm以下で長さが約２０μmのウィスカーであって具体的にほう酸アルミウィスカーとしては四国化成工業株式会社製のアルボレックス、チタン工業株式会社製の六チタン酸カリウィスカーなどが好適である。これらは、マグネシウムを含まないアルミニウム溶湯と１分間以内の接触ならば有害な反応は起きない。
【００１８】
本発明に用いられるアルミニウムとしては例えば展伸材では、Ａ２０００系の中ではＡ２０２５、Ａ２２１９、Ａ４０００系ではＡ４０４３などがあり鋳物系合金ではＡＣ１Ａ、ＡＣ２Ａ、ＡＣ２Ｂ、ＡＣ４Ｂ、ＡＤＣ１０、ＡＤＣ１２などが好適であり、機械的強度や機械加工の容易さからは、Ａ２０２５、Ａ２２１９、ＡＣ１Ａなどがより好適である。
【００１９】
本発明ではウィスカーの予備成形体を作成するのであるがその製造方法は多岐に亘っているので限定されるものではないが、例を示すと、以下に明示する方法がある。ポリビニルアルコール溶液に所定量のウィスカーを投入し懸濁させてウィスカー量に対して重量で１％になるようにシリカゾルを添加する。この懸濁液（スラリー）を濾過し、所定の体積になるように濾過後加圧し、濾滓を取り出して１００℃にて乾燥させる。その後空気中８００℃にて１〜３時間保持して所望の予備成形体を得る。
【００２０】
以上のようにして得られた予備成形体を空気中７５０〜８００℃に予熱しておき、一方でアルミニウム溶湯を７００〜８５０℃にて用意しておき、又、図１の金型を（１）を予め２００〜３００℃に保持しておく。先ず第一に、予熱された予備成形体（４）を配置し、その直後にアルミニウム溶湯（５）を注ぎ、油圧プランジャー（３）で加圧パンチ（２）に加圧する。この時の圧力は３０〜２００MPａの圧力をかけて２〜２０分間程度保持し、アルミニウムを凝固させる。
【００２１】
上記の凝固が完了した鋳造物から複合材料のみを切り出す。この複合材料をアルミニウム合金のＪＩＳ−Ａ２６１８を用いているのと同様の刃物、工具で旋盤、マシニングセンターなどを用いて切削加工し所望の回転体を得る。
【００２２】
以下、実施例により本発明をより具体的に説明する。
【実施例】
【００２３】
１０リットルのポリビニルアルコール５％溶液に、ほう酸アルミウィスカー２７７０ｇを投入し、攪拌懸濁させて３０重量％シリカゾルを９０ｍｌ添加した後内直径２０cmの濾過器に移して減圧濾過した。このものの濾滓高さが２５cmであったのでさらに加圧して２０cmの高さに圧縮して１００℃の乾燥器に入れて直径２０cm高さ２０cmの円柱状の予備成形体（４）を得た。このものの体積率は１５％であった。これを空気中８００℃に保持した。一方でA２２１９組成のアルミニウム溶湯を７５０℃にて保持した。又、高圧鋳造用金型（１）内径３０cm高さ３９cmのものを２５０℃に加温しておいたその金型内に予備成形体（１）を配置した後、３０秒以内にA２２１９溶湯（５）を注湯完了させるのと同時に油圧プランジャー（３）を作動させて加圧パンチ（２）を介して溶湯（５）に圧力を加えた。圧力は７０MPａで８分間保持した後、完全に凝固した鋳造物を取り出し冷却後複合材料部分のみを切り出して本発明の回転体の材料とした。その後、得られた回転体の材料から各種試験片を切り出し室温での引張試験後ヤング率を測定した所、表−１の値を得た。又、２０５℃で１００時間及び１０００時間のクリープ強度を測定した所やはり表−１の値を得た。又、比重、伸び、熱膨張率も併せて測定した結果も示す。
【００２４】
上記と同様の複合材料をターボ分子ポンプのローターに加工した所、通常のハイスピード鋼工具で充分に切削加工できた。
【００２５】
比較例としてJIS−Ａ２６１８材の各種物性値も表−１に示す。
【００２６】
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【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明によるウイスカー強化複合材料による回転体はクリープ強度に優れ、伸びも小さく軽量であり、かつ熱膨張率も小さいので効率の良好な回転体となるばかりではなく、長寿命の回転体として好適である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の高圧鋳造装置の一例を示す概略断面説明図
【符号の説明】
【００２９】
１  金型
２  パンチ
３  油圧プランジャー
４  ウィスカー予備成形体
５  溶湯アルミニウム
【図１】
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